Dessalement - Desalination

Usine de dessalement par osmose inverse à Barcelone, Espagne

Le dessalement est un processus qui élimine les composants minéraux de l'eau salée . Plus généralement, le dessalement fait référence à l'élimination des sels et minéraux d'une substance cible, comme dans le dessalement des sols , qui est un enjeu pour l'agriculture. L'eau salée (en particulier l'eau de mer ) est dessalée pour produire de l'eau propre à la consommation humaine ou à l' irrigation . Le sous-produit du processus de dessalement est la saumure . Le dessalement est utilisé sur de nombreux navires et sous - marins . La plupart de l'intérêt moderne pour le dessalement se concentre sur la fourniture rentable d' eau douce pour l'usage humain. Avec les eaux usées recyclées , c'est l'une des rares ressources en eau indépendantes des précipitations .

En raison de sa consommation d'énergie, le dessalement de l'eau de mer est généralement plus coûteux que l'eau douce provenant des eaux de surface ou souterraines , le recyclage de l' eau et la conservation de l'eau . Cependant, ces alternatives ne sont pas toujours disponibles et l'épuisement des réserves est un problème critique dans le monde entier. Les processus de dessalement sont généralement soit thermiques (dans le cas de la distillation ) soit mécaniques (dans le cas de l'osmose inverse ) comme types d'énergie primaire.

Applications

Son externe
icône audio "Making the Deserts Bloom: Harnessing nature to Deliver us from dryness" , Podcast Distillations et transcription, Épisode 239, 19 mars 2019, Science History Institute
Schéma d'un dessalinisateur flash à plusieurs étages
A – entrée de vapeur B – entrée d'eau de mer C – sortie d'eau potable
D – sortie de saumure (déchets) E – sortie de condensat F – échange de chaleur G – récupération de la condensation (eau dessalée)
H – réchauffeur de saumure
Le réservoir sous pression agit comme échangeur de chaleur à contre - courant . Une pompe à vide abaisse la pression dans le navire pour faciliter l'évaporation de l'eau de mer chauffée ( saumure ) qui pénètre dans le navire par le côté droit (les nuances plus foncées indiquent une température plus basse). La vapeur se condense sur les tuyaux au-dessus du navire dans lesquels l'eau de mer douce se déplace de gauche à droite.
Plan d'une usine typique de dessalement par osmose inverse

Il y a maintenant environ 21 000 usines de dessalement en service dans le monde. Les plus importants se trouvent aux Émirats arabes unis , en Arabie saoudite et en Israël . La plus grande usine de dessalement au monde est située en Arabie saoudite ( Ras Al-Khair Power and Desalination Plant ) avec une capacité de 1 401 000 mètres cubes par jour.

Le dessalement est actuellement coûteux par rapport à la plupart des sources d'eau alternatives, et seule une très petite fraction de l'utilisation humaine totale est satisfaite par le dessalement. Il n'est généralement économiquement pratique que pour des utilisations de grande valeur (telles que les utilisations domestiques et industrielles) dans les zones arides . Cependant, il y a une croissance du dessalement à des fins agricoles et des zones très peuplées comme Singapour ou la Californie. L'utilisation la plus étendue est dans le golfe Persique .

Tout en notant que les coûts sont en baisse et généralement positifs quant à la technologie pour les zones riches à proximité des océans, une étude de 2004 a fait valoir que « l'eau dessalée peut être une solution pour certaines régions de stress hydrique, mais pas pour les endroits qui sont pauvres, au plus profond de la l'intérieur d'un continent, ou à haute altitude. Malheureusement, cela inclut certains des endroits avec les plus gros problèmes d'eau. frais de transport égaux aux frais de dessalement.

Ainsi, il peut être plus économique de transporter de l'eau douce d'ailleurs que de la dessaler. Dans des endroits éloignés de la mer, comme New Delhi , ou dans des endroits élevés, comme Mexico , les coûts de transport pourraient correspondre aux coûts de dessalement. L'eau dessalée est également chère dans des endroits à la fois un peu éloignés de la mer et un peu élevés, comme Riyad et Harare . En revanche , dans d' autres endroits les coûts de transport sont beaucoup moins, comme Pékin , Bangkok , Saragosse , Phoenix , et, bien sûr, les villes côtières comme Tripoli . » Après le dessalement à Jubail , en Arabie Saoudite, l' eau est pompée 320 km à l' intérieur de Riyad . Pour villes côtières, le dessalement est de plus en plus considéré comme un choix concurrentiel.

Tout le monde n'est pas convaincu que le dessalement est ou sera économiquement viable ou écologiquement durable dans un avenir prévisible. Debbie Cook a écrit en 2011 que les usines de dessalement peuvent être énergivores et coûteuses. Par conséquent, les régions soumises à un stress hydrique feraient mieux de se concentrer sur la conservation ou d'autres solutions d'approvisionnement en eau que d'investir dans des usines de dessalement.

Les technologies

Le dessalement est un processus artificiel par lequel l'eau salée (généralement l'eau de mer ) est convertie en eau douce. Les procédés de dessalement les plus courants sont la distillation et l'osmose inverse .

Il existe plusieurs méthodes. Chacun a ses avantages et ses inconvénients mais tous sont utiles. Les méthodes peuvent être divisées en méthodes membranaires (par exemple, l'osmose inverse ) et thermiques (par exemple, la distillation éclair à plusieurs étages ). Le processus traditionnel de dessalement est la distillation , c'est-à-dire l'ébullition et la condensation de l' eau de mer pour laisser le sel et les impuretés.

Actuellement, il existe deux technologies avec plus de capacité de dessalement dans le monde, la distillation flash à plusieurs étages et l'osmose inverse .

Distillation

Distillation solaire

La distillation solaire imite le cycle naturel de l'eau, dans lequel le soleil chauffe suffisamment l'eau de mer pour que l'évaporation se produise. Après évaporation, la vapeur d'eau est condensée sur une surface froide. Il existe deux types de dessalement solaire. Le premier utilise des cellules photovoltaïques qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique pour alimenter le processus de dessalement. Ce dernier utilise l'énergie solaire sous forme de chaleur elle-même et est connu sous le nom de dessalement thermique solaire.

Évaporation naturelle

L'eau peut s'évaporer par plusieurs autres effets physiques en plus de l'irradiation solaire. Ces effets ont été inclus dans une méthodologie de dessalement multidisciplinaire dans la serre IBTS . L'IBTS est une usine de dessalement (électrique) industrielle d'un côté et une serre fonctionnant avec le cycle naturel de l'eau (réduit à l'échelle 1:10) de l'autre côté. Les différents processus d'évaporation et de condensation sont hébergés dans des utilités low-tech, en partie souterraines et dans la forme architecturale du bâtiment lui-même. Ce système biotectural intégré est le plus adapté au verdissement du désert à grande échelle car il a une empreinte de km 2 pour la distillation de l'eau et la même chose pour la transformation du paysage dans le verdissement du désert, respectivement la régénération des cycles naturels de l'eau douce.

Désalinisation de l'eau
Méthodes

Distillation sous vide

Dans la distillation sous vide, la pression atmosphérique est réduite, abaissant ainsi la température requise pour évaporer l'eau. Les liquides bout lorsque la pression de vapeur est égale à la pression ambiante et la pression de vapeur augmente avec la température. En effet, les liquides bout à une température plus basse, lorsque la pression atmosphérique ambiante est inférieure à la pression atmosphérique habituelle. Ainsi, en raison de la pression réduite, de la chaleur « perdue » à basse température provenant de la production d'électricité ou de procédés industriels peut être utilisée.

Distillation flash en plusieurs étapes

L'eau est évaporée et séparée de l'eau de mer par distillation éclair en plusieurs étapes , qui est une série d' évaporations éclair . Chaque processus flash ultérieur utilise l'énergie libérée par la condensation de la vapeur d'eau de l'étape précédente.

Distillation à effets multiples

La distillation à effets multiples (MED) fonctionne à travers une série d'étapes appelées "effets". L'eau entrante est pulvérisée sur des tuyaux qui sont ensuite chauffés pour générer de la vapeur. La vapeur est ensuite utilisée pour chauffer le prochain lot d'eau de mer entrante. Pour augmenter l'efficacité, la vapeur utilisée pour chauffer l'eau de mer peut être extraite des centrales électriques situées à proximité. Bien que cette méthode soit la plus efficace sur le plan thermodynamique parmi les méthodes alimentées par la chaleur, il existe quelques limitations telles qu'une température maximale et un nombre maximal d'effets.

Distillation par compression de vapeur

L'évaporation par compression de vapeur implique l'utilisation d'un compresseur mécanique ou d'un jet de courant pour comprimer la vapeur présente au-dessus du liquide. La vapeur comprimée est ensuite utilisée pour fournir la chaleur nécessaire à l'évaporation du reste de l'eau de mer. Étant donné que ce système ne nécessite que de l'énergie, il est plus rentable s'il est conservé à petite échelle.

Dessalement houlomoteur

CETO est une technologie houlomotrice qui dessale l'eau de mer à l'aide de bouées immergées. Des usines de dessalement houlomotrices ont commencé à fonctionner sur Garden Island en Australie-Occidentale en 2013 et à Perth en 2015.

Distillation membranaire

La distillation membranaire utilise une différence de température à travers une membrane pour évaporer la vapeur d'une solution de saumure et condenser l'eau pure du côté le plus froid. La conception de la membrane peut avoir un effet significatif sur l'efficacité et la durabilité. Une étude a révélé qu'une membrane créée par électrofilage coaxial de PVDF - HFP et d' aérogel de silice était capable de filtrer 99,99 % du sel après une utilisation continue de 30 jours.

Osmose

Osmose inverse

Le principal procédé de dessalement en termes de capacité installée et de croissance annuelle est l'osmose inverse (OI). Les procédés membranaires RO utilisent des membranes semi-perméables et une pression appliquée (du côté alimentation de la membrane) pour induire préférentiellement la perméation de l'eau à travers la membrane tout en rejetant les sels. Les systèmes membranaires des usines d'osmose inverse utilisent généralement moins d'énergie que les processus de dessalement thermique. Le coût énergétique des procédés de dessalement varie considérablement en fonction de la salinité de l'eau, de la taille de l'usine et du type de procédé. À l'heure actuelle, le coût du dessalement de l'eau de mer, par exemple, est plus élevé que celui des sources d'eau traditionnelles, mais on s'attend à ce que les coûts continuent de diminuer avec les améliorations technologiques qui incluent, mais sans s'y limiter, une efficacité améliorée, une réduction de l'empreinte des usines, des améliorations à exploitation et optimisation de l'usine, prétraitement des aliments plus efficace et sources d'énergie à moindre coût.

L'osmose inverse utilise une membrane composite à couche mince, qui comprend une couche mince de polyamide aromatique ultra-mince. Ce film de polyamide confère à la membrane ses propriétés de transport, tandis que le reste de la membrane composite en couche mince assure un support mécanique. Le film de polyamide est un polymère dense et sans vide avec une surface spécifique élevée, permettant sa perméabilité à l'eau élevée. Une étude récente a montré que la perméabilité à l'eau est principalement régie par la distribution de masse interne à l'échelle nanométrique de la couche active de polyamide.

Le processus d'osmose inverse n'est pas sans entretien. Divers facteurs interfèrent avec l'efficacité : contamination ionique (calcium, magnésium, etc.) ; carbone organique dissous (COD) ; bactéries; virus; colloïdes et particules insolubles; encrassement biologique et entartrage . Dans les cas extrêmes, les membranes RO sont détruites. Pour atténuer les dommages, différentes étapes de prétraitement sont introduites. Les inhibiteurs antitartre comprennent les acides et autres agents tels que les polymères organiques polyacrylamide et acide polymaléique , les phosphonates et les polyphosphates . Les inhibiteurs de l'encrassement sont les biocides (en tant qu'oxydants contre les bactéries et les virus), tels que le chlore, l'ozone, l'hypochlorite de sodium ou de calcium. À intervalles réguliers, en fonction de la contamination de la membrane ; conditions fluctuantes de l'eau de mer; ou lorsque les processus de surveillance le demandent, les membranes doivent être nettoyées, appelées rinçage d'urgence ou de choc. Le rinçage est effectué avec des inhibiteurs dans une solution d'eau douce et le système doit être mis hors ligne. Cette procédure est risquée pour l'environnement, car l'eau contaminée est détournée dans l'océan sans traitement. Les habitats marins sensibles peuvent être irréversiblement endommagés.

Les unités de dessalement à énergie solaire hors réseau utilisent l'énergie solaire pour remplir un réservoir tampon sur une colline avec de l'eau de mer. Le processus d'osmose inverse reçoit son alimentation en eau de mer sous pression en dehors des heures d'ensoleillement par gravité, ce qui permet une production durable d'eau potable sans avoir besoin de combustibles fossiles, d'un réseau électrique ou de batteries. Les nanotubes sont également utilisés pour la même fonction (c'est-à-dire l'osmose inverse).

Osmose directe

L'osmose directe utilise une membrane semi-perméable pour effectuer la séparation de l'eau des solutés dissous. La force motrice de cette séparation est un gradient de pression osmotique, tel qu'une solution « tirer » de forte concentration.

Congeler-dégeler

Le dessalement par congélation-dégel (ou dessalement par congélation) utilise la congélation pour éliminer l'eau douce de l'eau salée. De l'eau salée est pulvérisée dans des conditions de gel dans un coussin où un tas de glace s'accumule. Lorsque les conditions saisonnières se réchauffent, l'eau de fonte dessalée naturellement est récupérée. Cette technique repose sur des périodes prolongées de conditions naturelles de sous-congélation.

Une méthode de gel-dégel différente, non dépendante des conditions météorologiques et inventée par Alexander Zarchin , gèle l'eau de mer dans le vide. Dans des conditions de vide, la glace, dessalée, est fondue et détournée pour la collecte et le sel est collecté.

Membrane d'électrodialyse

L'électrodialyse utilise le potentiel électrique pour déplacer les sels à travers des paires de membranes chargées, qui piègent le sel dans des canaux alternés. Plusieurs variantes de l'électrodialyse existent telles que l' électrodialyse conventionnelle , l' électrodialyse inversée .

Aspects de conception

Consommation d'énergie

La consommation d'énergie du processus de dessalement dépend de la salinité de l'eau. Le dessalement d' eau saumâtre nécessite moins d'énergie que le dessalement d' eau de mer. La consommation d'énergie du dessalement de l'eau de mer a atteint aussi peu que 3 kWh/m³, y compris le préfiltrage et les accessoires, similaire à la consommation d'énergie d'autres sources d'eau douce transportées sur de grandes distances, mais beaucoup plus élevée que les sources d'eau douce locales qui utilisent 0,2 kWh/m 3 ou moins.

Une consommation énergétique minimale pour le dessalement de l'eau de mer de l'ordre de 1 kWh/m 3 a été déterminée, hors préfiltrage et pompage d'aspiration/refoulement. Moins de 2 kWh/m 3 ont été obtenus grâce à la technologie des membranes d' osmose inverse , ce qui laisse peu de place pour de nouvelles réductions d'énergie, car la consommation d'énergie de l' osmose inverse dans les années 1970 était de 16 kWh/m 3 .

Fournir toute l'eau domestique des États-Unis par dessalement augmenterait la consommation d'énergie domestique d'environ 10 %, soit environ la quantité d'énergie utilisée par les réfrigérateurs domestiques. La consommation domestique représente une fraction relativement faible de la consommation totale d'eau.

Consommation d'énergie des méthodes de dessalement de l'eau de mer.
Méthode de dessalement >> Flash MSF multi-étapes Distillation Multi-Effet MED Compression mécanique de vapeur MVC Osmose inverse RO
Énergie électrique (kWh/m 3 ) 4–6 1,5–2,5 7–12 3-5,5
Énergie thermique (kWh/m 3 ) 50-110 60-110 Rien Rien
Équivalent électrique de l'énergie thermique (kWh/m 3 ) 9,5–19,5 5–8,5 Rien Rien
Énergie électrique équivalente totale (kWh/m 3 ) 13,5-25,5 6,5–11 7–12 3-5,5

Remarque : « équivalent électrique » fait référence à la quantité d'énergie électrique qui pourrait être générée à l'aide d'une quantité donnée d'énergie thermique et d'un turbogénérateur approprié. Ces calculs n'incluent pas l'énergie requise pour construire ou remettre à neuf les éléments consommés dans le processus.

Étant donné la nature énergivore du dessalement, avec les coûts économiques et environnementaux associés, le dessalement est généralement considéré comme un dernier recours après la conservation de l'eau . Mais cela change à mesure que les prix continuent de baisser.

Cogénération

La cogénération génère un excès de chaleur et d'électricité à partir d'un seul processus. La cogénération peut fournir de la chaleur utilisable pour le dessalement dans une installation intégrée ou « à double usage », où une centrale électrique fournit l'énergie pour le dessalement. Alternativement, la production d'énergie de l'installation peut être dédiée à la production d'eau potable (une installation autonome), ou l'excès d'énergie peut être produit et incorporé dans le réseau énergétique. La cogénération prend diverses formes, et théoriquement toute forme de production d'énergie pourrait être utilisée. Cependant, la majorité des usines de dessalement par cogénération actuelles et prévues utilisent soit des combustibles fossiles, soit l'énergie nucléaire comme source d'énergie. La plupart des usines sont situées au Moyen-Orient ou en Afrique du Nord , qui utilisent leurs ressources pétrolières pour compenser des ressources en eau limitées. L'avantage des installations à double usage est qu'elles peuvent être plus efficaces en termes de consommation d'énergie, rendant ainsi le dessalement plus viable.

Le Shevchenko BN-350 , une ancienne unité de dessalement à chauffage nucléaire au Kazakhstan

La tendance actuelle dans les installations à double usage est aux configurations hybrides, dans lesquelles le perméat du dessalement par osmose inverse est mélangé avec le distillat du dessalement thermique. Fondamentalement, deux ou plusieurs procédés de dessalement sont combinés avec la production d'électricité. De telles installations ont été mises en place en Arabie saoudite à Djeddah et Yanbu .

Un supercarrier typique de l'armée américaine est capable d'utiliser l'énergie nucléaire pour dessaler 1 500 000 L d'eau par jour.

Alternatives au dessalement

La conservation et l'efficacité accrues de l' eau restent les approches les plus rentables dans les zones ayant un grand potentiel pour améliorer l'efficacité des pratiques d'utilisation de l'eau. La récupération des eaux usées offre de multiples avantages par rapport au dessalement de l'eau salée, bien qu'elle utilise généralement des membranes de dessalement. Le ruissellement urbain et le captage des eaux pluviales offrent également des avantages dans le traitement, la restauration et la recharge des eaux souterraines.

Une alternative proposée au dessalement dans le sud-ouest américain est l'importation commerciale d'eau en vrac provenant de zones riches en eau, soit par des pétroliers convertis en transporteurs d'eau, soit par des pipelines. L'idée est politiquement impopulaire au Canada, où les gouvernements ont imposé des barrières commerciales aux exportations d'eau en vrac à la suite d'une revendication de l' Accord de libre-échange nord-américain (ALENA).

Frais

Les facteurs qui déterminent les coûts de dessalement comprennent la capacité et le type d'installation, l'emplacement, l'eau d'alimentation, la main-d'œuvre, l'énergie, le financement et l'élimination des concentrés. Les coûts de dessalement de l'eau de mer (infrastructure, énergie et entretien) sont généralement plus élevés que l'eau douce des rivières ou des eaux souterraines , le recyclage de l' eau et la conservation de l'eau , mais des alternatives ne sont pas toujours disponibles. Les coûts de dessalement en 2013 allaient de 0,45 $US à 1,00 $US/m 3 . Plus de la moitié du coût provient directement du coût de l'énergie, et comme les prix de l'énergie sont très volatils, les coûts réels peuvent varier considérablement.

Le coût de l'eau douce non traitée dans les pays en développement peut atteindre 5 $ US/mètre cube.

Comparaison des coûts des méthodes de dessalement
Méthode Coût (USD/litre)
Solaire passif (30,42% d'efficacité énergétique) 0,034
Solaire passif (simple pente amélioré, Inde) 0,024
Solaire passif (double pente améliorée, Inde) 0,007
Flash multi-étapes (MSF) < 0,001
Osmose inverse (énergie solaire concentrée) 0,0008
Osmose inverse (énergie photovoltaïque) 0,000825
Consommation moyenne d'eau et coût d'approvisionnement par dessalement d'eau de mer à 1 USD par mètre cube (±50%)
Zone Consommation
Litre/personne/jour
Coût de l'eau dessalée
US$/personne/jour
nous 0378 00,38
L'Europe  0189 00,19
Afrique 0057 00,06
Minimum recommandé par l'ONU 0049 00,05

Les alambics de dessalement contrôlent la pression, la température et les concentrations de saumure pour optimiser l'efficacité. Le dessalement nucléaire pourrait être économique à grande échelle.

En 2014, les installations israéliennes de Hadera, Palmahim, Ashkelon et Sorek dessalaient l'eau pour moins de 0,40 $ US le mètre cube. En 2006, Singapour dessalait l'eau pour 0,49 $ US le mètre cube.

Aspects environnementaux

Admission

Aux États-Unis, les structures de prise d'eau de refroidissement sont réglementées par l' Environmental Protection Agency (EPA). Ces ouvrages peuvent avoir les mêmes impacts sur l'environnement que les prises d'eau des installations de dessalement. Selon l'EPA, les structures de prise d'eau ont un impact négatif sur l'environnement en aspirant des poissons et des crustacés ou leurs œufs dans un système industriel. Là, les organismes peuvent être tués ou blessés par la chaleur, le stress physique ou des produits chimiques. Les organismes plus gros peuvent être tués ou blessés lorsqu'ils sont piégés contre des écrans à l'avant d'une structure de prise d'eau. D'autres types de prise d'eau qui atténuent ces impacts comprennent les puits de plage, mais ils nécessitent plus d'énergie et des coûts plus élevés.

L' usine de dessalement de Kwinana a ouvert ses portes à Perth en 2007. L'eau à cet endroit ainsi qu'à l' usine de dessalement de Gold Coast dans le Queensland et à l' usine de dessalement de Kurnell à Sydney est prélevée à 0,1 m/s (0,33 pi/s), ce qui est suffisamment lent pour permettre aux poissons de s'échapper. L'usine fournit près de 140 000 m 3 (4 900 000 pi3) d'eau propre par jour.

Sortie

Les procédés de dessalement produisent de grandes quantités de saumure , éventuellement à une température supérieure à la température ambiante, et contiennent des résidus de produits chimiques de prétraitement et de nettoyage, leurs sous-produits de réaction et des métaux lourds dus à la corrosion (en particulier dans les usines thermiques). Le prétraitement et le nettoyage chimiques sont une nécessité dans la plupart des usines de dessalement, ce qui inclut généralement la prévention de l'encrassement biologique, de l'entartrage, du moussage et de la corrosion dans les centrales thermiques, et de l'encrassement biologique, des solides en suspension et des dépôts de tartre dans les usines à membranes.

Pour limiter l'impact environnemental du retour de la saumure dans l'océan, celle-ci peut être diluée avec un autre flux d'eau entrant dans l'océan, comme l'exutoire d'une station d'épuration ou d'une centrale électrique. Avec les moyennes et grandes centrales électriques et les usines de dessalement, le débit d'eau de refroidissement de la centrale électrique est susceptible d'être plusieurs fois supérieur à celui de l'usine de dessalement, ce qui réduit la salinité de la combinaison. Une autre méthode pour diluer la saumure consiste à la mélanger via un diffuseur dans une zone de mélange. Par exemple, une fois qu'un pipeline contenant la saumure atteint le fond marin, il peut se diviser en de nombreuses branches, chacune libérant progressivement de la saumure à travers de petits trous sur toute sa longueur. Le mélange peut être combiné avec une dilution en centrale électrique ou en station d'épuration. De plus, des systèmes sans rejet liquide peuvent être adoptés pour traiter la saumure avant son élimination.

Une autre possibilité est de rendre l'usine de dessalement mobile, évitant ainsi que la saumure ne s'accumule en un seul endroit (car elle continue d'être produite par l'usine de dessalement). Certaines de ces usines de dessalement mobiles (connectées à des navires) ont été construites.

La saumure est plus dense que l'eau de mer et coule donc au fond de l'océan et peut endommager l'écosystème. On a observé que les panaches de saumure diminuaient au fil du temps jusqu'à une concentration diluée, où il y avait peu ou pas d'effet sur l'environnement environnant. Cependant, des études ont montré que la dilution peut être trompeuse en raison de la profondeur à laquelle elle s'est produite. Si la dilution a été observée pendant la saison estivale, il est possible qu'il y ait eu un événement saisonnier de thermocline qui aurait pu empêcher la saumure concentrée de couler au fond de la mer. Cela a le potentiel de ne pas perturber l'écosystème du fond marin et plutôt les eaux au-dessus de celui-ci. La dispersion de la saumure provenant des usines de dessalement a été observée sur plusieurs kilomètres, ce qui signifie qu'elle peut potentiellement nuire aux écosystèmes éloignés des usines. Une réintroduction prudente avec des mesures appropriées et des études environnementales peut minimiser ce problème.

Autres issues

En raison de la nature du processus, il est nécessaire de placer les plantes sur environ 25 acres de terrain sur ou près du rivage. Dans le cas d'une usine construite à l'intérieur des terres, les tuyaux doivent être posés dans le sol pour permettre une prise et une sortie faciles. Cependant, une fois que les tuyaux sont enfouis dans le sol, ils peuvent s'infiltrer et contaminer les aquifères avoisinants. Outre les risques environnementaux, le bruit généré par certains types d'usines de dessalement peut être fort.

Aspects de santé

Carence en iode

Le dessalement élimine l'iode de l'eau et pourrait augmenter le risque de troubles dus à une carence en iode . Des chercheurs israéliens ont affirmé un lien possible entre le dessalement de l'eau de mer et la carence en iode, trouvant des déficits en iode chez les adultes exposés à une eau pauvre en iode en même temps qu'une proportion croissante de l'eau potable de leur région provient de l'osmose inverse de l'eau de mer (SWRO). Ils ont découvert plus tard des troubles probables dus à une carence en iode dans une population dépendante de l'eau de mer dessalée. Un lien possible entre une forte utilisation d'eau dessalée et une carence nationale en iode a été suggéré par des chercheurs israéliens. Ils ont trouvé un lourd fardeau de carence en iode dans la population générale d'Israël : 62 % des enfants d'âge scolaire et 85 % des femmes enceintes se situent en deçà de la fourchette d'adéquation de l'OMS. Ils ont également souligné la dépendance nationale à l'égard de l'eau dessalée appauvrie en iode, l'absence d'un programme universel d'iodation du sel et les rapports sur l'utilisation accrue de médicaments pour la thyroïde en Israël comme des raisons possibles de la faible consommation d'iode de la population. L'année où l'enquête a été menée, la quantité d'eau produite par les usines de dessalement constitue environ 50% de la quantité d'eau douce fournie pour tous les besoins et environ 80% de l'eau fournie pour les besoins domestiques et industriels en Israël.

Techniques expérimentales

D'autres techniques de dessalement comprennent :

Chaleur perdue

Les technologies de dessalement thermique sont fréquemment suggérées pour une utilisation avec des sources de chaleur résiduelle à basse température , car les basses températures ne sont pas utiles pour de nombreux processus industriels, mais idéales pour les températures plus basses trouvées dans le dessalement. En fait, un tel couplage avec la chaleur perdue peut même améliorer le processus électrique : les générateurs diesel fournissent généralement de l'électricité dans les zones reculées. Environ 40 à 50 % de l'énergie produite est de la chaleur de faible qualité qui quitte le moteur par l'échappement. La connexion d'une technologie de dessalement thermique telle qu'un système de distillation à membrane aux gaz d'échappement du moteur diesel réutilise cette chaleur de faible qualité pour le dessalement. Le système refroidit activement le générateur diesel , améliorant son efficacité et augmentant sa production d'électricité. Il en résulte une solution de dessalement neutre en énergie. Un exemple d'usine a été commandé par la société néerlandaise Aquaver en mars 2014 pour Gulhi , aux Maldives .

Thermique basse température

Issu à l'origine de la recherche sur la conversion de l'énergie thermique des océans , le dessalement thermique à basse température (LTTD) tire parti de l'ébullition de l'eau à basse pression, même à température ambiante . Le système utilise des pompes pour créer un environnement basse pression et basse température dans lequel l'eau bout à un gradient de température de 8 à 10 °C (46 à 50 °F) entre deux volumes d'eau. L'eau de mer fraîche est fournie à des profondeurs allant jusqu'à 600 m (2 000 pi). Cette eau est pompée à travers des serpentins pour condenser la vapeur d'eau. Le condensat résultant est de l'eau purifiée. La LTTD peut tirer parti du gradient de température disponible dans les centrales électriques, où de grandes quantités d'eaux usées chaudes sont évacuées de la centrale, réduisant ainsi l'apport d'énergie nécessaire pour créer un gradient de température.

Des expériences ont été menées aux États-Unis et au Japon pour tester l'approche. Au Japon, un système d'évaporation par pulvérisation-flash a été testé par l'Université de Saga. À Hawaï, le National Energy Laboratory a testé une centrale OTEC à cycle ouvert avec production d'eau douce et d'électricité en utilisant une différence de température de 20 °C entre l'eau de surface et l'eau à une profondeur d'environ 500 m. Le LTTD a été étudié par l'Institut national indien de technologie océanique (NIOT) en 2004. Leur première usine de LTTD a ouvert en 2005 à Kavaratti dans les îles Lakshadweep . La capacité de l'usine est de 100 000 L (22 000 gal imp; 26 000 gal US)/jour, pour un coût en capital de 50 millions INR (922 000 €). La plante utilise de l'eau profonde à une température de 10 à 12 °C (50 à 54 °F). En 2007, le NIOT a ouvert une usine expérimentale de LTTD flottante au large des côtes de Chennai , d'une capacité de 1 000 000 L (220 000 imp gal; 260 000 US gal)/jour. Une usine plus petite a été établie en 2009 à la centrale thermique du nord de Chennai pour prouver l'application LTTD où l'eau de refroidissement de la centrale électrique est disponible.

Procédé thermoionique

En octobre 2009, Saltworks Technologies a annoncé un procédé qui utilise la chaleur solaire ou thermique pour générer un courant ionique qui élimine tous les ions sodium et chlore de l'eau à l'aide de membranes échangeuses d'ions.

Évaporation et condensation pour les cultures

La serre Seawater utilise des processus naturels d'évaporation et de condensation à l'intérieur d'une serre alimentée par l'énergie solaire pour faire pousser des cultures sur des terres côtières arides.

Autres approches

Le dessalement par adsorption (DA) repose sur les propriétés d'absorption d'humidité de certains matériaux tels que le gel de silice.

Osmose directe

Un procédé a été commercialisé par Modern Water PLC en utilisant l'osmose directe , avec un certain nombre d'usines signalées en fonctionnement.

Dessalement à base d'hydrogel

Schéma de la machine de dessalement : la boite de dessalement de volume V _ box contient un gel de volume V _ gel qui est séparé par un tamis de la solution externe de volume V _ out = V _ box - V _ gel . Le caisson est relié à deux grands réservoirs à haute et basse salinité par deux robinets qui peuvent être ouverts et fermés à volonté. La chaîne de seaux exprime la consommation d'eau douce suivie du remplissage du réservoir à faible salinité par de l'eau salée.

L'idée de la méthode réside dans le fait que lorsque l'hydrogel est mis en contact avec une solution aqueuse de sel, il gonfle en absorbant une solution avec une composition ionique différente de celle d'origine. Cette solution peut être facilement extraite du gel au moyen d'un tamis ou d'une membrane de microfiltration. La compression du gel en système fermé entraîne une modification de la concentration en sel, tandis que la compression en système ouvert, alors que le gel échange des ions avec la masse, entraîne une modification du nombre d'ions. La conséquence de la compression et du gonflement dans des conditions de système ouvert et fermé imite le cycle de Carnot inverse de la machine frigorifique. La seule différence est qu'au lieu de la chaleur, ce cycle transfère les ions de sel de la masse à faible salinité vers une masse à haute salinité. Comme pour le cycle de Carnot, ce cycle est totalement réversible et peut donc en principe fonctionner avec une efficacité thermodynamique idéale. Parce que la méthode est exempte de l'utilisation de membranes osmotiques, elle peut rivaliser avec la méthode d'osmose inverse. De plus, contrairement à l'osmose inverse, l'approche n'est pas sensible à la qualité de l'eau d'alimentation et à ses variations saisonnières, et permet la production d'eau de n'importe quelle concentration souhaitée.

Solaire à petite échelle

Les États-Unis, la France et les Émirats arabes unis travaillent au développement d'un dessalement solaire pratique . WaterStillar d'AquaDania a été installé à Dahab, en Égypte, et à Playa del Carmen, au Mexique. Dans cette approche, un capteur solaire thermique mesurant deux mètres carrés peut distiller de 40 à 60 litres par jour à partir de n'importe quelle source d'eau locale – cinq fois plus que les alambics conventionnels. Il élimine le besoin de bouteilles en plastique PET ou de transport d'eau énergivore. En Californie centrale, une start-up WaterFX développe une méthode de dessalement à l'énergie solaire qui peut permettre l'utilisation de l'eau locale, y compris les eaux de ruissellement qui peuvent être traitées et réutilisées. Les eaux souterraines salées de la région seraient traitées pour devenir de l'eau douce, et dans les zones proches de l'océan, l'eau de mer pourrait être traitée.

Passarell

Le procédé Passarell utilise une pression atmosphérique réduite plutôt que de la chaleur pour entraîner le dessalement par évaporation. La vapeur d'eau pure générée par distillation est ensuite comprimée et condensée à l'aide d'un compresseur avancé. Le processus de compression améliore l'efficacité de la distillation en créant une pression réduite dans la chambre d'évaporation. Le compresseur centrifuge la vapeur d'eau pure après l'avoir aspirée à travers un dévésiculeur (en éliminant les impuretés résiduelles) la faisant se comprimer contre les tubes dans la chambre de collecte. La compression de la vapeur augmente sa température. La chaleur est transférée à l'eau d'entrée tombant dans les tubes, vaporisant l'eau dans les tubes. La vapeur d'eau se condense à l'extérieur des tubes sous forme d'eau produite. En combinant plusieurs processus physiques, Passarell permet à la majeure partie de l'énergie du système d'être recyclée grâce à ses processus d'évaporation, de désembuage, de compression de vapeur, de condensation et de mouvement de l'eau.

Géothermie

L'énergie géothermique peut conduire au dessalement. Dans la plupart des endroits, le dessalement géothermique surpasse l' utilisation des rares eaux souterraines ou de surface, d'un point de vue environnemental et économique.

Nanotechnologie

Les membranes de nanotubes d'une perméabilité plus élevée que la génération actuelle de membranes peuvent conduire à une éventuelle réduction de l'empreinte des usines de dessalement par OI. Il a également été suggéré que l'utilisation de telles membranes conduirait à une réduction de l'énergie nécessaire au dessalement.

Les membranes nano- composites sulfonées hermétiques se sont révélées capables d'éliminer divers contaminants jusqu'au niveau des parties par milliard, et ont peu ou pas de sensibilité aux niveaux élevés de concentration en sel.

Biomimèse

Les membranes biomimétiques sont une autre approche.

Électrochimique

En 2008, Siemens Water Technologies a annoncé une technologie qui appliquait des champs électriques pour dessaler un mètre cube d'eau tout en utilisant seulement 1,5 kWh d'énergie. S'il était précis, ce processus consommerait la moitié de l'énergie des autres processus. En 2012, une usine de démonstration fonctionnait à Singapour. Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin et de l'Université de Marburg développent des méthodes plus efficaces de dessalement de l'eau de mer à médiation électrochimique.

Chocs électrocinétiques

Un procédé utilisant des ondes de chocs électrocinétiques peut être utilisé pour réaliser un dessalement sans membrane à température et pression ambiantes. Dans ce processus, les anions et les cations dans l'eau salée sont échangés contre des anions carbonate et des cations calcium, respectivement en utilisant des ondes de choc électrocinétiques. Les ions calcium et carbonate réagissent pour former du carbonate de calcium , qui précipite, laissant de l'eau douce. L'efficacité énergétique théorique de cette méthode est comparable à celle de l' électrodialyse et de l'osmose inverse .

Extraction par solvant à variation de température

L'extraction par solvant à variation de température (TSSE) utilise un solvant au lieu d'une membrane ou des températures élevées.

L'extraction par solvant est une technique courante en génie chimique . Il peut être activé par une chaleur de faible qualité (moins de 70 °C (158 °F), qui peut ne pas nécessiter de chauffage actif. Dans une étude, TSSE a éliminé jusqu'à 98,4 pour cent du sel dans la saumure. Un solvant dont la solubilité varie avec température est ajoutée à l'eau de mer. À température ambiante, le solvant éloigne les molécules d'eau du sel. Le solvant chargé d'eau est ensuite chauffé, ce qui provoque la libération par le solvant de l'eau désormais sans sel.

Il peut dessaler une saumure extrêmement salée jusqu'à sept fois plus salée que l'océan. A titre de comparaison, les méthodes actuelles ne peuvent traiter que la saumure deux fois plus salée.

Usines de dessalement

Alors que les nouvelles innovations technologiques continuent de réduire le coût d'investissement du dessalement, de plus en plus de pays construisent des usines de dessalement comme un petit élément pour résoudre leurs problèmes de pénurie d'eau .

  • Israël dessale l'eau pour un coût de 53 cents le mètre cube
  • Singapour dessale l'eau pour 49 cents le mètre cube et traite également les eaux usées par osmose inverse à des fins industrielles et potables ( NEWater ).
  • La Chine et l'Inde, les deux pays les plus peuplés du monde, se tournent vers le dessalement pour subvenir à une petite partie de leurs besoins en eau
  • En 2007, le Pakistan a annoncé son intention d'utiliser le dessalement
  • Toutes les capitales australiennes (à l'exception de Darwin, Territoire du Nord et Hobart ) sont soit en train de construire des usines de dessalement, soit les utilisent déjà. Fin 2011, Melbourne commencera à utiliser la plus grande usine de dessalement d'Australie, l' usine de dessalement de Wonthaggi, pour élever les niveaux bas des réservoirs.
  • En 2007, les Bermudes ont signé un contrat pour l'achat d'une usine de dessalement
  • La plus grande usine de dessalement des États-Unis est celle de Tampa Bay , en Floride , qui a commencé à dessaler 25 millions de gallons (95 000 m³) d'eau par jour en décembre 2007. Aux États-Unis, le coût du dessalement est de 3,06 $ pour 1 000 gallons, ou 81 cents le mètre cube. Aux États-Unis, la Californie , l' Arizona , le Texas et la Floride utilisent le dessalement pour une très petite partie de leur approvisionnement en eau.
  • Après avoir été dessalée à Jubail , en Arabie saoudite , l'eau est pompée à 200 miles (320 km) à l'intérieur des terres via un pipeline vers la capitale Riyad .

En 2008, « Dans le monde, 13 080 usines de dessalement produisent plus de 12 milliards de gallons d'eau par jour, selon l'International Desalination Association. Une estimation de 2009 a révélé que l'approvisionnement mondial en eau dessalée triplera entre 2008 et 2020.

La plus grande usine de dessalement au monde est l'usine de dessalement de Jebel Ali (phase 2) aux Émirats arabes unis . Il s'agit d'une installation à double usage qui utilise une distillation éclair en plusieurs étapes et est capable de produire 300 millions de mètres cubes d'eau par an.

Un porte-avions typique de l'armée américaine utilise l'énergie nucléaire pour dessaler 400 000 gallons américains (1 500 000 L) d'eau par jour.

Dans la nature

Feuille de mangrove aux cristaux de sel

L'évaporation de l'eau au-dessus des océans dans le cycle de l' eau est un processus de dessalement naturel.

La formation de glace de mer produit de la glace avec peu de sel, beaucoup plus faible que dans l'eau de mer.

Les oiseaux marins distillent l'eau de mer en utilisant un échange à contre-courant dans une glande avec un rete mirabile . La glande sécrète une saumure très concentrée stockée près des narines au-dessus du bec. L'oiseau "éternue" alors la saumure. Comme l'eau douce n'est généralement pas disponible dans leur environnement, certains oiseaux marins, comme les pélicans , les pétrels , les albatros , les goélands et les sternes , possèdent cette glande, qui leur permet de boire l'eau salée de leur environnement alors qu'ils sont loin de la terre.

Les palétuviers poussent dans l'eau de mer ; ils sécrètent du sel en le piégeant dans des parties de la racine, qui sont ensuite mangées par des animaux (généralement des crabes). Le sel supplémentaire est éliminé en le stockant dans les feuilles qui tombent. Certains types de mangroves ont des glandes sur leurs feuilles, qui fonctionnent de la même manière que la glande de dessalement des oiseaux marins. Le sel est extrait à l'extérieur de la feuille sous forme de petits cristaux , qui tombent ensuite de la feuille.

Les saules et les roseaux absorbent le sel et d'autres contaminants, dessalant efficacement l'eau. Ceci est utilisé dans les zones humides artificielles artificielles , pour le traitement des eaux usées .

Histoire

Le dessalement est connu de l'histoire depuis des millénaires à la fois comme concept et comme pratique ultérieure, bien que sous une forme limitée. L'ancien philosophe grec Aristote a observé dans son ouvrage Météorologie que « l'eau salée, lorsqu'elle se transforme en vapeur, devient douce et la vapeur ne forme plus d'eau salée lorsqu'elle se condense », et a également remarqué qu'un récipient en cire fine contiendrait de l'eau potable après étant immergé assez longtemps dans l'eau de mer, ayant agi comme une membrane pour filtrer le sel. Il existe de nombreux autres exemples d'expérimentation de dessalement tout au long de l'Antiquité et du Moyen Âge, mais le dessalement n'a jamais été réalisable à grande échelle jusqu'à l'époque moderne. Un bon exemple de cette expérimentation sont les observations de Léonard de Vinci (Florence, 1452), qui s'est rendu compte que l'eau distillée pouvait être fabriquée à bon marché en grande quantité en adaptant un alambic à une cuisinière. Au Moyen Âge ailleurs en Europe centrale, les travaux se sont poursuivis sur les raffinements de la distillation, mais pas nécessairement orientés vers le dessalement.

Cependant, il est possible que la première grande usine de dessalement terrestre ait été installée dans des conditions d'urgence sur une île au large des côtes tunisiennes en 1560. On pense qu'une garnison de 700 soldats espagnols a été assiégée par un grand nombre de Turcs. et que, pendant le siège, le capitaine en charge a fabriqué un alambic capable de produire 40 barils d'eau douce par jour, bien que les détails de l'appareil n'aient pas été rapportés.

Avant la révolution industrielle , le dessalement concernait principalement les navires de haute mer, qui devaient autrement conserver à bord des réserves d'eau douce. Sir Richard Hawkins (1562-1622), qui fit de nombreux voyages dans les mers du Sud, rapporta dans son retour qu'il avait pu approvisionner ses hommes en eau douce au moyen d'une distillation à bord du navire. De plus, au début des années 1600, plusieurs personnalités de l'époque telles que Francis Bacon ou Walter Raleigh ont publié des rapports sur le dessalement de l'eau. Ces rapports et d'autres ont créé le climat pour le premier conflit de brevet concernant les appareils de dessalement. Les deux premiers brevets concernant le dessalement de l'eau remontent à 1675 et 1683 (brevets n°184 et n°226, publiés respectivement par M. William Walcot et M. Robert Fitzgerald (et autres). Néanmoins, aucune des deux inventions n'a été réellement mise en service en raison de problèmes techniques liés à des difficultés de mise à l'échelle. Aucune amélioration significative du processus de distillation de l'eau de mer de base n'a été apportée pendant un certain temps au cours des 150 années, du milieu des années 1600 à 1800.

Lorsque la frégate Protector a été vendue au Danemark dans les années 1780 (sous le nom de navire Hussaren), l'usine de dessalement a été étudiée et enregistrée en détail. Aux États-Unis nouvellement formés, Thomas Jefferson a catalogué les méthodes basées sur la chaleur remontant aux années 1500 et a formulé des conseils pratiques qui ont été rendus publics à tous les navires américains sur le dos des autorisations de navigation.

À partir de 1800 environ, les choses ont commencé à changer très rapidement en raison de l'apparition de la machine à vapeur et de ce qu'on appelle l' âge de la vapeur . Le développement d'une connaissance de la thermodynamique des procédés à vapeur et le besoin d'une source d'eau pure pour son utilisation dans les chaudières, ont généré un effet positif concernant les systèmes de distillation. De plus, la propagation du colonialisme européen a induit un besoin d'eau douce dans les régions reculées du monde, créant ainsi le climat approprié pour le dessalement de l'eau.

Parallèlement au développement et à l'amélioration des systèmes utilisant la vapeur ( évaporateurs à effets multiples ), ce type d'appareils a rapidement démontré son potentiel dans le domaine du dessalement. En 1852, Alphonse René le Mire de Normandie , a délivré un brevet britannique pour une unité de distillation d'eau de mer à tube vertical qui, grâce à sa simplicité de conception et sa facilité de construction, a très rapidement gagné en popularité pour une utilisation à bord des navires. Les unités de dessalement terrestres n'apparaissent pas de manière significative avant la seconde moitié du XIXe siècle. Dans les années 1860, l'armée américaine a acheté trois évaporateurs normands, chacun évalué à 7000 gallons/jour et les a installés sur les îles de Key West et Dry Tortugas . Une autre importante usine de dessalage terrestre a été installée à Suakin au cours des années 1980, capable de fournir de l'eau douce aux troupes britanniques qui s'y trouvaient . Il se composait de distillateurs à six effets d'une capacité de 350 tonnes/jour.

Des recherches importantes sur l'amélioration des méthodes de dessalement ont eu lieu aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale. L'Office of Saline Water a été créé au sein du Département de l'intérieur des États-Unis en 1955 conformément à la Saline Water Conversion Act de 1952. Il a été fusionné avec l'Office of Water Resources Research en 1974.

La première usine de dessalement industriel aux États-Unis a ouvert ses portes à Freeport, au Texas, en 1961, dans l'espoir d'apporter la sécurité en eau à la région après une décennie de sécheresse. Le vice-président Lyndon B. Johnson a assisté à l'inauguration de l'usine le 21 juin 1961. Le président John F. Kennedy a enregistré un discours de la Maison Blanche , décrivant le dessalement comme « un travail qui, à bien des égards, est plus important que toute autre entreprise scientifique dans laquelle ce pays est maintenant engagé."

La recherche a eu lieu dans des universités d'État de Californie, à la Dow Chemical Company et à DuPont . De nombreuses études se concentrent sur les moyens d'optimiser les systèmes de dessalement.

La première usine commerciale de dessalement par osmose inverse, l'usine de dessalement de Coalinga, a été inaugurée en Californie en 1965 pour les eaux saumâtres . Quelques années plus tard, en 1975, la première usine de dessalement d'eau de mer par osmose inverse est mise en service.

Société et culture

Malgré les enjeux liés aux procédés de dessalement, le soutien public à son développement peut être très élevé. Une enquête menée dans une communauté du sud de la Californie a révélé que 71,9% de tous les répondants soutenaient le développement d'une usine de dessalement dans leur communauté. Dans de nombreux cas, une forte pénurie d'eau douce correspond à un soutien public plus élevé pour le développement du dessalement, tandis que les zones à faible pénurie d'eau ont tendance à avoir moins de soutien public pour son développement.

Voir également

Les références

Liens externes